I ricercatori dell'Università di Toronto Engineering hanno combinato due tecnologie emergenti per l'energia solare di prossima generazione e hanno scoperto che ognuna aiuta a stabilizzare l'altra. Il materiale ibrido risultante è un passo importante verso la riduzione del costo dell'energia solare, moltiplicando i modi in cui può essere utilizzato.

Oggi praticamente tutte le celle solari sono realizzate in silicio ad alta purezza. È una tecnologia consolidata, e negli ultimi anni il costo di produzione è diminuito notevolmente grazie alle economie di scala. Tuttavia, il silicio ha un limite superiore alla sua efficienza. Un team guidato dal professor Ted Sargent sta cercando materiali complementari in grado di migliorare il potenziale di raccolta solare del silicio assorbendo lunghezze d'onda della luce che il silicio non fa.

"Due delle tecnologie che perseguiamo nel nostro laboratorio sono i cristalli di perovskite e i punti quantici, " dice Sargent. "Entrambi sono suscettibili di elaborazione soluzione. Immagina un "inchiostro solare" che potrebbe essere stampato su plastica flessibile per creare a basso costo, celle solari pieghevoli. Possiamo anche abbinarli davanti, o dietro, celle solari al silicio per migliorare ulteriormente la loro efficienza."

Una delle sfide chiave che devono affrontare sia le perovskiti che i punti quantici è la stabilità. A temperatura ambiente, alcuni tipi di perovskiti subiscono un adattamento nella loro struttura cristallina 3-D che li rende trasparenti:non assorbono più completamente la radiazione solare.

Da parte loro, i punti quantici devono essere ricoperti da uno strato sottile noto come strato di passivazione. Questo strato, spesso solo una singola molecola, impedisce ai punti quantici di attaccarsi l'uno all'altro. Ma temperature superiori a 100 C possono distruggere lo strato di passivazione, causando l'aggregazione o l'aggregazione dei punti quantici, distruggendo la loro capacità di raccogliere la luce.

In un articolo pubblicato oggi in Natura , un team di ricercatori del laboratorio di Sargent riporta un modo per combinare perovskiti e punti quantici che stabilizza entrambi.

"Prima di farlo, le persone di solito cercavano di affrontare le due sfide separatamente, "dice Mengxia Liu, l'autore principale del documento.

"La ricerca ha mostrato la crescita di successo di strutture ibride che incorporavano sia perovskiti che punti quantici, "dice Liu, che ora è un borsista post-dottorato all'Università di Cambridge. "Questo ci ha ispirato a considerare la possibilità che i due materiali possano stabilizzarsi a vicenda se condividono la stessa struttura cristallina".

Liu e il team hanno costruito due tipi di materiali ibridi. Uno era principalmente punti quantici con circa il 15% di perovskiti in volume, ed è progettato per trasformare la luce in elettricità. L'altro era principalmente perovskite con meno del 15% di punti quantici in volume, ed è più adatto a trasformare l'elettricità in luce, Per esempio, come parte di un diodo ad emissione luminosa (LED).

Il team è stato in grado di dimostrare che il materiale ricco di perovskite è rimasto stabile in condizioni ambientali (25 C e 30% di umidità) per sei mesi, circa dieci volte più lungo dei materiali composti dalla sola perovskite. Per quanto riguarda il materiale del punto quantico, quando riscaldato a 100 C, l'aggregazione delle nanoparticelle era cinque volte inferiore che se non fossero state stabilizzate con perovskiti.

"Ha dimostrato molto bene la nostra ipotesi, " dice Liu. "È stato un risultato impressionante oltre le nostre aspettative".

Il nuovo documento fornisce una prova dell'idea che questi tipi di materiali ibridi possono migliorare la stabilità. Nel futuro, Liu spera che i produttori di celle solari prendano le sue idee e le migliorino ulteriormente per creare celle solari elaborate in soluzione che soddisfino tutti gli stessi criteri del silicio tradizionale.

"I ricercatori industriali potrebbero sperimentare utilizzando diversi elementi chimici per formare le perovskiti o punti quantici, " dice Liu. "Ciò che abbiamo dimostrato è che questa è una strategia promettente per migliorare la stabilità in questo tipo di strutture".

"Le perovskiti hanno mostrato un enorme potenziale come materiali solari, ma sono necessarie soluzioni fondamentali per trasformarle in materiali stabili e robusti in grado di soddisfare i severi requisiti del settore delle energie rinnovabili". dice Jeffrey C. Grossman, il Morton and Claire Goulder and Family Professor in Environmental Systems e Professore nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il Massachusetts Institute of Technology, che non è stato coinvolto nello studio. "Lo studio di Toronto mostra una nuova ed entusiasmante strada per far progredire la comprensione, e il raggiungimento, di fasi cristalline stabili di perovskite."

Liu attribuisce la scoperta in parte all'ambiente collaborativo nel team, che includeva ricercatori di molte discipline, compresa la chimica, fisica e il suo campo di scienza dei materiali.

"La perovskite e i punti quantici hanno strutture fisiche distinte, e le somiglianze tra questi materiali sono state generalmente trascurate, " dice. "Questa scoperta mostra cosa può accadere quando uniamo idee provenienti da campi diversi".